一种冗余型双模式制冷设备及方法与流程

1.本发明涉及液冷散热技术领域，特别是涉及一种冗余型双模式制冷设备及方法。


背景技术：

2.随着我国科技的飞速发展，我国已经研发出可以满足自身工作以及生产需求的国产化芯片。但相较发达国家而言，采用国产化芯片后的单元一般热流密度较高，整机热功耗较大，使得芯片自身对设备的散热要求更高。采用这种单元的机柜或设备通常采用液冷散热的方式实现整机热控制，避免因过热导致芯片损坏。使用液冷散热的方式需要在一定的温度、流量、压力要求下，通过外部冷却液的不断循环供给，带走机柜设备的热量。然而，对于某些特殊使用场景(例如：需要对芯片快速降温到具体温度值时，但通过冷却液的循环很难达到温度要求)需要满足更加恶劣的使用环境，同时不能直接通过风冷的形式对冷却液进行降温，极大的限制了芯片的使用范围和性能。
3.鉴于此，提高制冷设备面对恶劣环境处理能力，是本技术领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例解决了上述现有技术存在的问题，提供了一种冗余型双模式制冷设备。本发明在对被冷却器件进行冷却时，通过三通阀可以选择不同的冷却模式，实现本发明适应不同被冷却器件需要冷却到不同温度的要求。
5.本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，本发明提供了一种冗余型双模式制冷设备，包括：三通阀、第一冷却单元和第二冷却单元；
7.所述第一冷却单元与所述三通阀的第一出水口连接，用于实现冷却液与外部水进行热交换；
8.所述第二冷却单元与所述三通阀的第二出水口连接，用于实现冷却液与制冷剂进行热交换；
9.冷却液通过进水口流向三通阀，再经过第一冷却单元和/或第二冷却单元冷却后，流向被冷却器件，吸收被冷却器件的热量后再流向进水口形成一个冷却液的循环回路。
10.优选的，所述三通阀内部设置有比例积分组件，用于分配第一出水口和第二出水口流出的冷却液比例。
11.优选的，所述被冷却器件出水口与三通阀进水口之间设置有流量变送器、加热器、膨胀罐和循环泵组，并且，被冷却器件出水口、流量变送器、加热器、膨胀罐、循环泵组和三通阀进水口依次连接；所述流量变送器用于监测实时系统流量；所述加热器用于加热冷却液，防止系统管路凝露；所述膨胀罐用于缓冲系统内部压力，保障系统压力的稳定；所述循环泵组用于提供循环液的循环动力，所述循环泵组由至少两个循环泵组成，各循环泵之间通过并联连接，用于一部分循环泵故障时，未损坏的循环泵能保障系统正常运转。
12.优选的，所述被冷却器件进水口处设置有压力变送器、温度变送器、过滤器，并且
通过管道相连，所述压力变送器用于监测冷却液流入被冷却器件的实时压力；所述温度变送器用于测量冷却液流入被冷却器件的实时温度；所述过滤器用于过滤冷却液中的杂质。
13.优选的，按照冷却液的流经顺序，以被冷却部件出水口为起点，所述冷却液的循环回路具有为：
14.被冷却部件出水口、流量变送器、加热器、膨胀罐、循环泵组、第一冷却单元、过滤器、温度变送器、压力变送器、冷却部件出水口和冷却部件，形成冷却液的第一循环回路；
15.被冷却部件出水口、流量变送器、加热器、膨胀罐、循环泵组、第二冷却单元、过滤器、温度变送器、压力变送器、冷却部件出水口和冷却部件，形成冷却液的第二循环回路。
16.优选的，所述第一冷却单元包括有换热器和压力泵，所述换热器内部通有外部水，用于实现外部水与冷却液进行热交换，所述压力泵用于提供第一冷却单元外部水循环的动力。
17.优选的，所述第二冷却单元包括有蒸发器、气液分离器、压缩机组、冷凝器、储液罐和过滤器依次通过管路连接，形成制冷剂的循环回路；所述蒸发器通过蒸发制冷剂吸热，用于给冷却液降温；所述气液分离器用于防止液态制冷剂进入压缩机；所述压缩机组由至少两个压缩机组成，各压缩机之间通过并联连接，用于一部分压缩机故障时，未损坏的压缩机能保障第二冷却单元正常运转，并且，所述压缩机组两侧设有压力控制器，用来监测压缩机组的压力；所述冷凝器内部通有外部水，用于给制冷剂降温；所述储液罐用于存储冷凝的制冷剂；所述过滤器内部采用分子筛结构，用于去除管道内的杂质和水分。
18.优选的，还包括控制单元，所述控制单元包括有采样仪表、plc控制器和i/o模块；所述plc控制器与采样仪表电性连接；所述采样仪表与i/o模块电性连接。
19.优选的，所述流量变送器、压力变送器和温度变送器分别与控制单元电性连接。
20.第二方面，本发明还提供了一种冗余型双模式制冷方法，包括：外部水直接换热模式和压缩机制冷模式，并且，两种模式通过所述三通阀进行控制切换，以被冷却器件的出水口为起点，两种模式具体为；
21.外部水直接换热模式：当第一冷却单元与三通阀的第一出水口连接时，系统处于外部水直接换热模式，此时，冷却液从冷却器件的出水口为起点流经流量变送器，再经过加热器，通过循环泵组提供动力，将与被冷却器件进行热交换后的冷却液输送到第一冷却单元的换热器，与换热器进行热交换后，通过过滤器、温度变送器以及压力变送器将冷却后的冷却液传输给被冷却器件，周而复始；
22.压缩机制冷模式：当第二冷却单元与三通阀的第二出水口连接时，系统处于压缩机制冷模式，此时，冷却液从冷却器件的出水口为起点流经流量变送器，再经过加热器，通过循环泵组提供动力，将与被冷却器件进行热交换后的冷却液输送到第二冷却单元的蒸发器，与换热器进行热交换后，通过过滤器、温度变送器以及压力变送器将冷却后的冷却液传输给被冷却器件，周而复始；
23.监测步骤：所述plc控制器用于接收流量变送器、压力变送器和温度变送器的反馈信息，进而实时记录和分析冷却液中的流量、温度和压力；通过调节循环泵组的动力来调节被冷却器件的冷却速度。
24.本发明优选的在三通阀内设置有比例积分组件，当两种模式共同对被冷却器件进行冷却降温时，并且，在循环泵组动力一定的情况下，通过调节比例积分组件，进而调节两
种模式下通入第一冷却单元和第二冷却单元冷却液的比例，可以使冷却的效果达到最好。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明实施例提供的一种冗余型双模式制冷设备简化工作原理图；
27.图2是本发明实施例提供的一种冗余型双模式制冷设备比例积分组件的原理图；
28.图3是本发明实施例提供的一种冗余型双模式制冷设备实际工作原理图；
29.图4是本发明实施例提供的一种冗余型双模式制冷设备过滤膜的结构图；
30.图5是本发明实施例提供的一种冗余型双模式制冷设备控制单元的电路控制示意图。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
33.此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.实施例1:
35.本发明实施例1提供了一种冗余型双模式制冷设备，包括：三通阀1、第一冷却单元2和第二冷却单元3；
36.所述第一冷却单元2与所述三通阀1的第一出水口连接，用于实现冷却液与外部水进行热交换；
37.所述第二冷却单元3与所述三通阀1的第二出水口连接，用于实现冷却液与制冷剂进行热交换；
38.冷却液通过进水口流向三通阀1，再经过第一冷却单元2和/或第二冷却单元3冷却后，流向被冷却器件，吸收被冷却器件的热量后再流向进水口形成一个冷却液的循环回路。
39.如图1所示，表示本发明提供的制冷设备简化工作原理图，冷却液对被冷却器件进行降温以后，流经三通阀1，通过三通阀1的分配，将冷却液分配给第一冷却单元2和/或第二冷却单元3，进而流向被冷却器件，实现了对冷却器件的降温。本发明在现有技术的基础上，增加了第二冷却单元3，极大的增加了设备的制冷能力。
40.所述三通阀1内部设置有比例积分组件101，用于分配第一出水口和第二出水口流出的冷却液比例。
41.本发明设备对冷却器件进行降温，当选择两种模式(外部水直接换热模式和压缩
机制冷模式)同时运行时。冷却液从三通阀1流经两种不同模式的冷却液的量不同，冷却的综合效果液也不相同。为了使本发明在现有双模式的前提下实现最佳的冷却效果，本发明优选的在三通阀1内设置比例积分组件101，如图2所示，表示比例积分组件的原理图，通过比例积分组件101遮挡出水口的面积进行调节，比例积分组件101能调节进入第一冷却单元2与第二冷却单元3的冷却液的比例，当出水口完全被比例积分组件101遮挡时，表示该出水口关闭，此时分配给该循环的冷却液为零。在实际操作过程中，当两种模式同时进行工作时，可以采用控制变量法，对循环泵组7的转速进行固定，通过连续调节比例积分组件101对不同模式冷却液的分配比例，得到冷却效果最佳的分配比例值，提高设备对更加恶劣环境适应性，进而提高本发明的冷却效果。值得说明的是，当比例积分完全遮挡第一出水口和/或第二出水口时，表示
42.所述被冷却器件出水口与三通阀1进水口之间设置有流量变送器4、加热器、膨胀罐6和循环泵组7，并且，被冷却器件出水口、流量变送器4、加热器、膨胀罐6、循环泵组7和三通阀1进水口依次连接；所述流量变送器4用于监测实时系统流量；所述加热器用于加热冷却液，防止系统管路凝露；所述膨胀罐6用于缓冲系统内部压力，保障系统压力的稳定；所述循环泵组7用于提供循环液的循环动力，所述循环泵组7由至少两个循环泵组7成，各循环泵之间通过并联连接，用于一部分循环泵故障时，未损坏的循环泵能保障系统正常运转。
43.进一步的，所述被冷却器件进水口处设置有压力变送器8、温度变送器9、过滤器10，并且通过管道相连，所述压力变送器8用于监测冷却液流入被冷却器件的实时压力；所述温度变送器9用于测量冷却液流入被冷却器件的实时温度；所述过滤器10用于过滤冷却液中的杂质。
44.如图3所示，表示本发明的工作原理图。在本发明实施例中，为保障本发明冷却液的循环往复流动对被冷却器件进行降温，需要在冷却液循环的路径上设置循环泵，循环泵为冷却液的循环提供了动力。本发明实施例优选的设置循环泵组7，各循环泵之间通过并联进行连接。采用多循环泵的冗余设计，在一部分循环泵损坏或无法正常运转时，未损坏的循环泵能保障系统正常运转。考虑到成本原因，在实际情况中，循环泵组通常会选择1主1备的循环泵配置，在主循环泵损坏的情况下，备用循环泵保障冷却液的正常循环。当温度过低时，设备管路会发生凝露现象，凝露现象会产生相应的导电通道，进而对设备的电气绝缘造成影响，使得本该不导电的区域转换为正常导电的区域，会对设备以及使用者造成损害。本发明实施例优选的循环泵组7的前端设置加热器，加热器能加热管道，起到保护设备的作用。除此之外，本发明冷却液循环的路径上设立了过滤器10，在对冷却器件进过第一冷却单元2和/或第二冷却单元3后，过滤器10能将设备运转过程中腐蚀老化所产生的杂质过滤排除，防止系统长时间工作造成管道堵塞。
45.冷却的实质是通过冷却液将被冷却器件由高温状态转换为低温状态的过程。而冷却液对被冷却部件降温效果取决于冷却液的流速、冷却液与被冷却器件的温差以及冷却器件与冷却液进行热交换的接触面。在冷却器件固定(冷却器件的温度以及与冷却液进行热交换的接触面一定)的情况下，通过测量冷却液循环过程的流量、温度以及压力可以间接测量出冷却液的冷却效果，除此之外，还可以在冷却器件的出口处设置一个温度计，通过调节冷却液的流量、温度以及压力，找到设备强度允许情况下的最佳参数值。冷却器件进、出水口两侧温度计的最大温度差值点所对应的流量、温度以及压力为最佳参数值，此过程通过
调节程循环泵组7的功率或档位间接调节设备内冷却液的压力和流量，通过调节第一冷却单元2、第二冷却单元3的效率，可以间接调节冷却液内的温度。
46.本发明实施例对应的冷却液循环为完整的回路，为了方便后续对本发明方案的阐述，优选的将被冷却器件的出水口设为起点进行阐述。按照冷却液的流经顺序，本发明方案通过三通阀1可以将实施例切割成为两个循环回路。其中，第一回路为：被冷却部件出水口、流量变送器4、加热器、膨胀罐6和循环泵组7第一冷却单元2、过滤器10、温度变送器9、压力变送器8、冷却部件出水口、冷却部件，形成冷却液的第一循环回路。在只通过第一循环回路对被冷却器件进行冷却时，冷却液流经第二冷却单元3的进水口会关闭。当只通过第二循环回路对被冷却器件进行冷却时，三通阀1流向第一冷却单元2的进水口关闭，接通第二冷却单元3的进水口，此时第二回路具体为：被冷却部件出水口、流量变送器4、加热器、膨胀罐6和循环泵组7第二冷却单元3、过滤器10、温度变送器9、压力变送器8、冷却部件出水口、冷却部件，形成冷却液的第二循环回路。当被冷却器件面临更加严苛的降温要求时，通过将两种模式同时对冷却器件进行降温，使得冷却液的进水口与出水口温差更大，达到更好的冷却效果。
47.本发明第一冷却单元2为常规的冷却单元，第一冷却单元2的核心部件为换热器201，通过换热器201内的冷却水与循环体系内的冷却液进行热交换，实现给冷却液降温的效果。本发明实施例第一冷却单元2具体包括有换热器201和压力泵202，换热器201内部一般设置有两个进水口和两个出水口，换热器201的一套进、出水口用于使冷却液通过，另一套进、出水口用于外部水通过换热器201与冷却液进行热交换。为了使得本发明冷却液与外部冷却充分进行热交换，在流体进入换热器201内进行热交换时，应按照被加热的流体下进上出，被冷却的流体上进下出，冷流体和热流体选用逆流布置的原则，设置本发明冷却液和外界循环水的循环路径，以达到最佳的热交换(冷却)效果。
48.其次，为了使冷却效果更好，一般可以采用降低冷却液的流速让冷却液充分与外界介质进行热交换。理论情况下，时间足够长并且外界介质足够多的情况下，冷却液可以降低到接近于介质的温度(实际比介质温度略高)。然而，在实际过程中，被冷却器件并不能一直长时间的处于高温状态。想要保持被冷却器件在工作的过程中长时间维持一个稳定的工作状态，需要冷却液在最少的时间尽可能的带走被冷却器件更多的热量，并且单位时间带走的热量应大于等于被冷却器件所产生的热量。为了防止当被冷却器件产生的热量大于冷却液所带走的热量而导致被冷却器件升温损坏或无法正常工作的情况，我们一般会添加额外的冷却单元来进一步强化冷却效果。结合本发明实施例，在第一冷却单元2的基础上设置了第二冷却单元3，第二冷却单元3可以和第一冷却单元2一样，使用外部水进行冷却，并且，压力泵202为第一冷却单元的外部水循环提供动力。
49.为了使本发明能适应更加恶劣的环境(更加严苛的冷却要求)，本发明实施例优选的将第二冷却单元3换热模式设置为蒸发器301换热，通过蒸发器301内制冷剂蒸发相变过程吸收冷却液的热量进行降温。本发明实施例优选的第二冷却单元3具体包括有蒸发器301、气液分离器302、压缩机组303、冷凝器304、储液罐305和干燥过滤器306依次通过管路连接，形成制冷剂的循环回路。蒸发器301内设置有允许制冷剂和冷却液通过的管路，制冷剂通过蒸发相变吸热，带走冷却液内的温度进行降温。在使用第二冷却单元3进行降温的过程中，在压缩机的进水口设置有气液分离器302，气液分离器302能对设备内的气液共存体
进行分离，防止液态制冷剂进入压缩机或对压缩机造成突然液击，进而对压缩机造成损伤。为了提高本发明面对恶劣环境的适应性，优选的将压缩机设置为压缩机组303，压缩机组303内的压缩机通过并联的形式连接。压缩机同循环泵一样采用冗余设计，使得设备具有更好的适应性和容灾能力；当一部分压缩机损坏或无法正常工作时，其它完好的压缩机能保障制冷剂循环正常运转，本发明实施例在压缩机组303两侧设置压力计307，用来监测压缩机组303是否正常的工作。从成本核算以及设备的适应性角度考虑，实际实施的过程通常会选择1主1备的压缩机配置，在主压缩机损坏的情况下，备用压缩机保障制冷剂正常循环，除此之外，压缩机组303还为制冷剂的循环提供动力。在第二冷却单元3内设置的冷凝器304主要用于将压缩机内传递而来的高温高压的制冷剂进行冷凝，制冷剂通过冷凝器304后一部分会冷却成液体状态的制冷剂存储在储液器内，通过压缩机带动储液罐305以及管道内液化的制冷剂进而进入蒸发器301进行蒸发吸热，完成一个制冷剂的循环。在制冷剂长时间的循环运转过程中，制冷剂与设备之间会发生摩擦以及电化学腐蚀，产生设备少量杂质，冷却液循环进入蒸发器301内部循环同样会产生少量水分，本发明实施例优选的在蒸发器301制冷剂循环回路的进水口设置有干燥过滤器306，干燥过滤器306内过滤膜采用分子筛结构，如图4所示，表示过滤膜采用分子筛结构，分子筛结构能够很好去除管道内的杂质和水分，起到净化系统的目的，避免了杂质和水分对设备造成的破坏。
50.进一步，为了保障设备能正常持续的给被冷却器件降温。本发明通常情况下除了上面阐述的设置外，还会给本发明设置补液单元，在实际运转的过程中，或多或少会造成一部分冷却液的损失，随着时间的积累，冷却液会出现不足导致制冷效果降低的情况，补液单元主要实现设备冷却液的补充。一般情况下，补液单元包括补液装置、补液管道、阀门以及一些框架。在设备对被冷却器件进行冷却的过程中，通过控制变量法，将设备内的所有参数固定，得出冷却液与时间的损耗关系(在实际过程中，可以通过一定时间后压力或流量变送器4的示数变化来观测到，然后通过补给冷却液到初始状态下的压力或流量示数，此时补给的冷却液就是损失的冷却液)，得出冷却液的损失随时间关系。再通过冷却液的损失随时间的关系函数得出添加冷却液的速度，保障冷却液稳定持续的供给。
51.除此之外，本发明实施例设备还包括控制单元11，如图5所示，表示控制单元的电路控制示意图，所述控制单元11包括有采样仪表1101、plc控制器1102和i/o模块1103；所述plc控制器1102与采样仪表1101电性连接；所述采样仪表1101与i/o模块1103电性连接，并且，所述流量变送器4、压力变送器8和温度变送器9分别与控制单元11电性连接。
52.其中，在对本设备冷却效果进行评估的过程中，需要将冷却液循环过程中参数的变化进行测量，设备的冷却效果取决于单位时间被冷却器件冷却前后降低的温度差。但实际操作过程中，很难对每一个被冷却器件(特别是芯片之类的精密器件)进行实时温度的动态测量，从能量守恒的角度来讲，通过测量被冷却器件进水口和出水口冷却液的温度差来间接表示设备的冷却效果。在测量的过程中，需要将温度参数进行输出，并且，冷却液的循环过程中，除了进水口和出水口的温度差能直接反映本发明的冷却效果之外，还可以通过控制设备循环泵组7来调节单位时间内冷却液的循环速度，使得冷却液能快速的将冷却器件内产生的热量带走，相应的过程可以通过流量、温度和压力参数的变化间接反映设备的制冷效果，本发明实施例利用plc控制器1102接收流量、温度和压力变送器8的反馈信息，将测量的电信号通过转换为数字信号在采样仪表1101上显示。进而通过实时记录和分析冷却
液中的流量、温度和压力来评估设备的制冷效果。本发明设备的制冷效果可以间接通过单位时间内被冷切器件进水口和出水口冷却液的温度差来评估，温度差值越大表示制冷效果越好，反之，则越差。
53.值得说明的是，本发明在进行被冷却器件冷却之前，可以通过实验的方法，提前得到冷却液的最佳循环温度、压力和流速，从而提高设备的冷却效果。
54.实施例2：
55.本发明在提供了实施例1所描述的一种冗余型双模式制冷设备后，本发明实施例进一步提供一种加固型双冗余双模式制冷方法，结合本发明实施例1中提供的相应设备及结构的实现方法角度做相关阐述，并对本设备的设计原理做进一步深入的分析。本发明实施例主要采用两种制冷模式对被冷却器件进行降温，通过三通阀1可以实现两种模式的灵活切换。本发明实施例仍以被冷却器件的出水口为起点对两种模式进行阐述。
56.当第一冷却单元2与三通阀1的第一出水口连接时，系统处于外部水直接换热模式，此时，冷却液从冷却器件的出水口为起点流经流量变送器4，再经过加热器，通过循环泵组7提供动力，将与被冷却器件进行热交换后的冷却液输送到第一冷却单元2的换热器201，与换热器201进行热交换后，通过过滤器10、温度变送器9以及压力变送器8将冷却后的冷却液传输给被冷却器件，周而复始。
57.当第二冷却单元3与三通阀1的第二出水口连接时，系统处于压缩机制冷模式，此时，冷却液从冷却器件的出水口为起点流经流量变送器4，再经过加热器，通过循环泵组7提供动力，将与被冷却器件进行热交换后的冷却液输送到第二冷却单元3的蒸发器301，与换热器201进行热交换后，通过过滤器10、温度变送器9以及压力变送器8将冷却后的冷却液传输给被冷却器件，周而复始。
58.本发明实施例在现有的基础上设置了第二冷却单元3系统(制冷剂冷却循环系统)。无论是通过第一冷却单元2对冷却液冷却(外部水直接换热模式)，还是使用第二冷却单元3对冷却液冷却(压缩机制冷模式)，理论上冷却液的流速越慢，冷却的效果越好。但被冷却器件也在不停的产生热量，冷却液的循环速度太慢会使得被冷却器件的产生的热量很难及时带出被冷却器件，同样达不到冷却的效果。在设备调试阶段，使用控制变量法，通过持续性调节循环泵组7的动力，进而测试出各自模式下的最佳冷却条件(冷却效果最好时冷却液循环体系内的温度、压力和流体流量)。
59.当系统处于某些更加恶劣环境时，需要同时使用第一冷却单元2和第二冷却单元3给被冷却器件降温。本发明实施例在三通阀1内设置有比例积分组件101，比例积分组件101可以分配第一出水口和第二出水口流出的冷却液比例(比例积分组件101也可以关闭第一冷却单元2或第二冷却单元3的进水口)。在设备的调试阶段，只改变通入两种模式的冷却液比例，可以得出两种模式下冷却液的最佳分配比例(在此分配比例下，冷却效果最好)。进而实现更好的制冷效果。
60.本发明在现有的基础上设置了压缩机制冷模式(介质为制冷剂)，使得本发明能适应更加恶劣的环境，提高了冷却的效果。
61.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。